Svante Arrhenius

Svante Arrhenius
Arrhenius2.jpg
Svante Arrhenius około 1910 roku
Urodzić się
Svante August Arrhenius

( 19.02.1859 ) 19 lutego 1859
Zmarł 2 października 1927 ( w wieku 68) ( 02.10.1927 )
Sztokholm , Szwecja
Narodowość szwedzki
Alma Mater
Znany z
  • Obliczanie ocieplenia dla podwójnego dwutlenku węgla w atmosferze.
Nagrody
Kariera naukowa
Pola
Doradca doktorski
Doktoranci Oskara Benjamina Kleina

Svante August Arrhenius ( [ / ə r n i ə s , ə r n ja ə s 19 / ə- REE -nee-əs, -⁠ RAY - , szwedzki: ˈsvânːtɛ aˈrěːnɪɵs] ; lutego 1859 - 2 października 1927 ) był szwedzkim naukowcem . Pierwotnie fizyk , ale często nazywany chemikiem Arrhenius był jednym z założycieli nauki chemii fizycznej . Otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 1903 roku, stając się pierwszym szwedzkim laureatem Nagrody Nobla. W 1905 został dyrektorem Instytutu Nobla, w którym pozostał aż do śmierci.

Arrhenius jako pierwszy wykorzystał zasady chemii fizycznej do oszacowania stopnia, w jakim wzrost dwutlenku węgla w atmosferze jest odpowiedzialny za wzrost temperatury powierzchni Ziemi. Jego praca odegrała ważną rolę w powstaniu współczesnej nauki o klimacie. W latach 60. XX wieku Charles David Keeling wykazał, że ilość emisji dwutlenku węgla do powietrza spowodowana przez człowieka jest wystarczająca, aby spowodować globalne ocieplenie .

Równanie Arrheniusa , kwas Arrheniusa , podstawa Arrheniusa , księżycowy krater Arrhenius , marsjański krater Arrhenius , góra Arrheniusfjellet i Arrhenius Labs na Uniwersytecie Sztokholmskim zostały tak nazwane, aby upamiętnić jego wkład w naukę.

Biografia

Wczesne lata

Arrhenius urodził się 19 lutego 1859 r. W Vik (pisane również Wik lub Wijk), niedaleko Uppsali , Królestwa Szwecji , Wielkiej Brytanii Szwecji i Norwegii , jako syn Svante Gustava i Karoliny Thunberg Arrhenius, którzy byli luteranami. Jego ojciec był geodetą na Uniwersytecie w Uppsali , awansując na stanowisko nadzorcze. W wieku trzech lat Arrhenius nauczył się czytać bez zachęty rodziców i obserwując dodawanie liczb przez ojca w swoich księgach rachunkowych, stał się cudownym dzieckiem arytmetycznym . W późniejszym życiu Arrhenius był głęboko zafascynowany koncepcjami matematycznymi, analizą danych i odkrywaniem ich związków i praw.

W wieku ośmiu lat wstąpił do miejscowej szkoły katedralnej, zaczynając od piątej klasy , wyróżniając się fizyką i matematyką , którą ukończył jako najmłodszy i najzdolniejszy uczeń w 1876 roku.

Dysocjacja jonowa

Na Uniwersytecie w Uppsali był niezadowolony z głównego wykładowcy fizyki i jedynego członka wydziału, który mógł nadzorować go z chemii, Pera Teodora Cleve'a , więc wyjechał na studia do Instytutu Fizycznego Szwedzkiej Akademii Nauk w Sztokholmie pod kierunkiem fizyk Erik Edlund w 1881 r. [ potrzebne źródło ]

Jego praca koncentrowała się na przewodnictwie elektrolitów . W 1884 roku, na podstawie tej pracy, przedłożył 150-stronicową rozprawę o przewodnictwie elektrolitycznym do Uppsali na doktorat . Nie zrobiło to wrażenia na profesorach, w tym Cleve, i otrzymał stopień czwartej klasy, ale po jego obronie został przeklasyfikowany na trzecią klasę. Późniejsze rozszerzenie tej właśnie pracy przyniosło mu w 1903 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii .

Arrhenius wysunął 56 tez w swojej rozprawie z 1884 r., Z których większość byłaby nadal akceptowana w niezmienionej postaci lub z niewielkimi modyfikacjami. Najważniejszym pomysłem w rozprawie było wyjaśnienie przez niego faktu, że stałe krystaliczne sole po rozpuszczeniu dysocjują na sparowane naładowane cząstki, za co otrzymał w 1903 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. Wyjaśnienie Arrheniusa było takie, że tworząc roztwór , sól dysocjuje na naładowane cząstki, które wiele lat wcześniej Michael Faraday nazwał jonami . Faradaya uważał, że jony powstają w procesie elektroliza , czyli zewnętrzne źródło prądu stałego było niezbędne do wytworzenia jonów. Arrhenius zaproponował, że nawet przy braku prądu elektrycznego wodne roztwory soli zawierają jony. W ten sposób zaproponował, że reakcje chemiczne w roztworze były reakcjami między jonami.

Rozprawa nie zrobiła wrażenia na profesorach w Uppsali, ale Arrhenius wysłał ją do wielu naukowców w Europie, którzy rozwijali nową naukę chemii fizycznej, takich jak Rudolf Clausius , Wilhelm Ostwald i Jacobus Henricus van't Hoff . Byli pod znacznie większym wrażeniem, a Ostwald przyjechał nawet do Uppsali, aby przekonać Arrheniusa, by dołączył do jego zespołu badawczego. Arrhenius odmówił jednak, ponieważ wolał pozostać przez jakiś czas w Szwecji-Norwegii (jego ojciec był bardzo chory i miał umrzeć w 1885 r.) I otrzymał wizytę w Uppsali.

W rozszerzeniu swojej teorii jonowej Arrhenius zaproponował definicje kwasów i zasad w 1884 roku. Uważał, że kwasy to substancje wytwarzające jony wodoru w roztworze, a zasady to substancje wytwarzające jony wodorotlenków w roztworze.

Średni okres

Lehrbuch der kosmischen Physik , 1903

W 1885 roku Arrhenius następnie otrzymał stypendium podróżnicze od Szwedzkiej Akademii Nauk, które umożliwiło mu studiowanie u Ostwalda w Rydze (obecnie na Łotwie ), u Friedricha Kohlrauscha w Würzburgu w Niemczech , u Ludwiga Boltzmanna w Grazu w Austrii oraz u Jacobusa Henricus van't Hoff w Amsterdamie .

W 1889 roku Arrhenius wyjaśnił fakt, że większość reakcji wymaga dodatkowej energii cieplnej, formułując koncepcję energii aktywacji , bariery energetycznej, którą należy pokonać, zanim dwie cząsteczki zareagują. Równanie Arrheniusa daje ilościową podstawę związku między energią aktywacji a szybkością, z jaką przebiega reakcja.

W 1891 został wykładowcą w Stockholms University College ( Stockholms Högskola , obecnie Stockholm University ), awansował na profesora fizyki (z dużym sprzeciwem) w 1895 i rektora w 1896.

nagrody Nobla

Około 1900 roku Arrhenius zaangażował się w tworzenie Instytutów Nobla i Nagród Nobla . W 1901 roku został wybrany członkiem Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk . Do końca życia był członkiem Komitetu Noblowskiego w dziedzinie fizyki i de facto członkiem Komitetu Noblowskiego w dziedzinie chemii. Swoje stanowiska wykorzystywał do organizowania nagród dla swoich przyjaciół ( Jacobus van 't Hoff , Wilhelm Ostwald , Theodore Richards ) i do próby odmówienia ich swoim wrogom ( Paul Ehrlich , Walther Nernst ) , Dmitrij Mendelejew ). W 1901 Arrhenius został wybrany do Szwedzkiej Akademii Nauk, mimo silnej opozycji. W 1903 roku jako pierwszy Szwed otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii . W 1905 roku, po założeniu Instytutu Nobla Badań Fizycznych w Sztokholmie, został mianowany rektorem instytutu, na którym pozostał aż do przejścia na emeryturę w 1927 roku.

W 1911 roku zdobył pierwszą nagrodę Willarda Gibbsa.

Członkostwo w społeczeństwie

Został wybrany honorowym członkiem Holenderskiego Towarzystwa Chemicznego w 1909 roku.

Został członkiem zagranicznym Royal Society (ForMemRS) w 1910 roku.

W 1912 roku został wybrany Honorowym Członkiem Zagranicznym Amerykańskiej Akademii Sztuki i Nauki

W 1919 został członkiem zagranicznym Królewskiej Holenderskiej Akademii Sztuk i Nauk .

Późniejsze lata

Grób rodziny Arrhenius w Uppsali

Ostatecznie teorie Arrheniusa zostały powszechnie zaakceptowane i zwrócił się ku innym tematom naukowym. W 1902 roku zaczął badać fizjologiczne w kategoriach teorii chemicznej. Ustalił, że reakcje w żywych organizmach iw probówce przebiegają według tych samych praw.

W 1904 roku wygłosił na Uniwersytecie Kalifornijskim cykl wykładów, których celem było zilustrowanie zastosowania metod chemii fizycznej do badania teorii toksyn i antytoksyn , a które zostały opublikowane w 1907 roku pod tytułem Immunochemia . Zwrócił także uwagę na geologię (pochodzenie epok lodowcowych ), astronomię , kosmologię fizyczną i astrofizykę , wyjaśniając narodziny Układu Słonecznego w wyniku kolizji międzygwiezdnych. Uważał, ciśnienie promieniowania odpowiada za komety , koronę słoneczną , zorzę polarną i światło zodiakalne .

Uważał, że życie mogło być przenoszone z planety na planetę przez transport zarodników , teoria znana obecnie jako panspermia . Wymyślił ideę języka uniwersalnego , proponując modyfikację języka angielskiego .

Był członkiem zarządu Szwedzkiego Towarzystwa Higieny Rasowej (założonego w 1909 r.), które w tamtym czasie popierało mendelizm i około 1910 r. przyczyniło się do poruszenia tematu środków antykoncepcyjnych. Jednak do 1938 r. w Królestwie Szwecji zakazano informacji i sprzedaży środków antykoncepcyjnych . Gordon Stein napisał, że Svante Arrhenius był ateistą. W ostatnich latach pisał zarówno podręczniki, jak i książki popularnonaukowe, starając się podkreślić potrzebę dalszej pracy nad poruszanymi przez siebie tematami. We wrześniu 1927 roku zachorował na ostry katar jelitowy i zmarł 2 października. Pochowany został w Uppsali.

Małżeństwa i rodzina

Był dwukrotnie żonaty, najpierw ze swoją byłą uczennicą Sofią Rudbeck (1894–1896), z którą miał jednego syna Olofa Arrheniusa [ sv ; fr ] , a następnie Marii Johansson (1905–1927), z którą miał dwie córki i syna.

Arrhenius był dziadkiem bakteriologa Agnes Wold , chemika Svante Wolda [ sv ] i biogeochemika oceanów Gustafa Arrheniusa [ sv ; fr ] .

Efekt cieplarniany

Ten artykuł z 1902 roku przypisuje Arrheniusowi teorię, że spalanie węgla może spowodować pewien stopień globalnego ocieplenia, ostatecznie prowadząc do wyginięcia ludzkości.

Opracowując teorię wyjaśniającą epoki lodowcowe , Arrhenius w 1896 roku jako pierwszy zastosował podstawowe zasady chemii fizycznej do obliczenia szacunkowego stopnia, w jakim wzrost atmosferycznego dwutlenku węgla (CO 2 ) spowoduje wzrost temperatury powierzchni Ziemi przez efekt cieplarniany efekt . Obliczenia te doprowadziły go do wniosku, że CO2 spowodowany przez człowieka emisje ze spalania paliw kopalnych i innych procesów spalania są wystarczająco duże, aby spowodować globalne ocieplenie. Wniosek ten został szeroko przetestowany, zdobywając miejsce w centrum współczesnej nauki o klimacie. Arrhenius w tej pracy oparł się na wcześniejszych pracach innych znanych naukowców, w tym Josepha Fouriera , Johna Tyndalla i Claude'a Pouilleta . Arrhenius chciał ustalić, czy gazy cieplarniane mogą przyczynić się do wyjaśnienia różnic temperatur między okresami lodowcowymi i międzylodowcowymi. Arrhenius wykorzystał obserwacje Księżyca w podczerwieni – przeprowadzone przez Franka Washingtona Very oraz Samuel Pierpont Langley z Obserwatorium Allegheny w Pittsburghu – aby obliczyć, ile promieniowania podczerwonego (ciepła) jest wychwytywane przez CO 2 i parę wodną (H 2 O) w ziemskiej atmosferze. Korzystając z „prawa Stefana” (lepiej znanego jako prawo Stefana – Boltzmanna ), sformułował coś, co nazwał „regułą”. W swojej pierwotnej formie reguła Arrheniusa brzmi następująco:

jeśli ilość kwasu węglowego wzrasta w postępie geometrycznym, wzrost temperatury będzie wzrastał prawie w postępie arytmetycznym.

Tutaj Arrhenius odnosi się do CO 2 jako kwasu węglowego (co odnosi się tylko do wodnej postaci H 2 CO 3 we współczesnym użyciu). Poniższe sformułowanie reguły Arrheniusa jest nadal w użyciu:

gdzie jest stężeniem CO na początku (czas zero) badanego okresu (jeśli ta sama jednostka stężenia jest używana zarówno dla jak i do , wtedy nie ma znaczenia, która jednostka stężenia jest używana); do {\ displaystyle to stężenie CO 2 na koniec badanego okresu; ln jest logarytmem naturalnym (= logarytm o podstawie e ( log e )); i to wzrost temperatury, innymi słowy zmiana szybkości nagrzewania powierzchni Ziemi ( wymuszenie radiacyjne ), mierzona w watach na metr kwadratowy . z modeli przenoszenia promieniowania atmosferycznego wykazały, że ( ) dla CO 2 wynosi 5,35 (± 10%) W/m 2 dla atmosfery ziemskiej.

Arrheniusa na pierwszej konferencji Solvaya poświęconej chemii w 1922 roku w Brukseli .

Opierając się na informacjach od swojego kolegi Arvida Högboma , Arrhenius był pierwszą osobą, która przewidziała, że ​​emisje dwutlenku węgla ze spalania paliw kopalnych i innych procesów spalania były wystarczająco duże, aby spowodować globalne ocieplenie. W swoich obliczeniach Arrhenius uwzględnił sprzężenie zwrotne wynikające ze zmian pary wodnej, a także efekty równoleżnikowe, ale pominął chmury, konwekcję ciepła w górę w atmosferze i inne istotne czynniki. Jego praca jest obecnie postrzegana nie tyle jako dokładne ilościowe określenie globalnego ocieplenia, ile jako pierwsza demonstracja wzrostu atmosferycznego CO 2 spowoduje globalne ocieplenie, wszystko inne będzie równe.

Svante Arrhenius (1909)

Wartości absorpcji Arrheniusa dla CO 2 i jego wnioski spotkały się z krytyką Knuta Ångströma w 1900 r., który opublikował pierwsze współczesne widmo absorpcji CO 2 w podczerwieni z dwoma pasmami absorpcji i opublikował wyniki eksperymentów, które zdawały się wykazywać, że absorpcja promieniowania podczerwonego przez gaz w atmosfera była już „nasycona”, więc dodanie więcej nie mogło zrobić różnicy. Arrhenius odpowiedział zdecydowanie w 1901 ( Annalen der Physik ), całkowicie odrzucając krytykę. Poruszył ten temat krótko w książce technicznej pt Lehrbuch der kosmischen Physik (1903). Później napisał Världarnas utveckling (1906) (niemiecki: Das Werden der Welten [1907], angielski: Worlds in the Making [1908]) skierowany do ogółu odbiorców, w którym zasugerował, że ludzka emisja CO 2 byłaby wystarczająco silna, aby zapobiec wejściu świata w nową epokę lodowcową i że cieplejsza ziemia będzie potrzebna do wyżywienia szybko rosnącej populacji:

„Do pewnego stopnia temperatura powierzchni ziemi, jak się wkrótce przekonamy, jest uwarunkowana właściwościami otaczającej ją atmosfery, a zwłaszcza przepuszczalnością tej ostatniej dla promieni ciepła”. (s. 46)
„To, że powłoki atmosferyczne ograniczają straty ciepła z planet, zostało zasugerowane około 1800 roku przez wielkiego francuskiego fizyka Fouriera. Jego idee zostały później rozwinięte przez Pouilleta i Tyndalla. Ich teoria została nazwana teorią cieplarni , ponieważ myśleli, że atmosfera zachowuje się jak szklane szyby w cieplarniach”. (str. 51)
„Gdyby ilość kwasu węglowego [CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 (kwas węglowy)] w powietrzu spadła do połowy obecnej wartości procentowej, temperatura spadłaby o około 4°; spadek do jednego ćwiartka obniżyłaby temperaturę o 8 st. Z drugiej strony każde podwojenie procentowej zawartości dwutlenku węgla w powietrzu podniosłoby temperaturę powierzchni ziemi o 4 st., a gdyby dwutlenek węgla wzrósł czterokrotnie, temperatura wzrośnie o 8°”. (str. 53)
„Chociaż morze, pochłaniając kwas węglowy, działa jako regulator o ogromnej pojemności, który pochłania około pięciu szóstych produkowanego kwasu węglowego, to jednak zdajemy sobie sprawę, że niewielki procent kwasu węglowego w atmosferze może dzięki postępowi przemysłu zostać zmienione w zauważalnym stopniu w ciągu kilku stuleci”. (s. 54)
„Ponieważ teraz ciepłe epoki przeplatały się z okresami lodowcowymi, nawet po pojawieniu się człowieka na ziemi, musimy zadać sobie pytanie: czy jest prawdopodobne, że w nadchodzących epokach geologicznych nawiedzi nas nowy okres lodowcowy, który wypędzi nas z nasze kraje o umiarkowanym klimacie w cieplejsze klimaty Afryki? Nie wydaje się, aby takie obawy były uzasadnione. Olbrzymie spalanie węgla przez nasze zakłady przemysłowe wystarcza, aby procentowy udział dwutlenku węgla w powietrzu zwiększył się do odczuwalnego poziomu”. (str. 61)
„Często słyszymy lamenty, że węgiel zmagazynowany w ziemi jest marnowany przez obecne pokolenie bez jakiejkolwiek myśli o przyszłości, i jesteśmy przerażeni straszliwym zniszczeniem życia i mienia, które nastąpiło po erupcjach wulkanów w naszych czasach. znaleźć pewnego rodzaju pocieszenie w tym, że tutaj, jak w każdym innym przypadku, dobro miesza się ze złem. Pod wpływem zwiększającej się zawartości kwasu węglowego w atmosferze możemy mieć nadzieję na cieszenie się wiekami bardziej zrównoważonymi i lepszymi klimaty, zwłaszcza w chłodniejszych regionach ziemi, w wiekach, w których ziemia wyda znacznie obfitsze plony niż obecnie, z korzyścią dla szybko rozmnażającej się ludzkości”. (str. 63)

W tym czasie akceptowanym konsensusem jest to, że historycznie wymuszanie orbitalne wyznaczało czas dla epok lodowcowych, a CO 2 działał jako istotne wzmacniające sprzężenie zwrotne . Jednak emisje CO 2 od czasu rewolucji przemysłowej zwiększyły CO 2 do poziomu nienotowanego od 10 do 15 milionów lat temu, kiedy średnia globalna temperatura powierzchni była o 11 ° F (6 ° C) wyższa niż obecnie i prawie cały lód stopił się, podnosząc światowy poziom mórz do około 100 stóp (30 m) wyżej niż obecnie.

Arrhenius oszacował na podstawie poziomu CO 2 w swoim czasie, że obniżenie poziomu o 0,62–0,55 obniżyłoby temperaturę o 4–5°C (Celsjusza), a 2,5–3-krotny wzrost CO 2 spowodowałby wzrost temperatury o 8– 9°C w Arktyce. W swojej książce Worlds in the Making opisał teorię atmosfery „cieplarni”.

Pracuje

  • 1884, Recherches sur la Conductibilité galvanique des électrolytes , rozprawa doktorska, Sztokholm, wydawnictwo królewskie, PA Norstedt & Söner, 155 stron.
  • 1896a, Ueber den Einfluss des Atmosphärischen Kohlensäurengehalts auf die Temperatur der Erdoberfläche , w Proceedings of the Royal Swedish Academy of Science, Sztokholm 1896, tom 22, I N. 1, strony 1–101.
  • 1896b, O wpływie kwasu węglowego w powietrzu na temperaturę gruntu , Londyn, Edynburg i Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science (piąta seria), kwiecień 1896. tom 41, strony 237–275.
  • 1901a, Ueber die Wärmeabsorption durch Kohlensäure , Annalen der Physik, tom 4, 1901, strony 690–705.
  • 1901b, Über Die Wärmeabsorption Durch Kohlensäure Und Ihren Einfluss Auf Die Temperatur Der Erdoberfläche . Streszczenie obrad Królewskiej Akademii Nauk, 58, 25–58.
  • Arrhenius, Svante. Die Verbreitung des Lebens im Weltenraum . Die Umschau, Frankfurt a. M., 7, 1903, 481–486.
  • Lehrbuch der kosmischen Physik (w języku niemieckim). Tom. 1. Lipsk: Hirzel. 1903.
  • 1906, Die vermutliche Ursache der Klimaschwankungen , Meddelanden från K. Vetenskapsakademiens Nobelinstitut, tom 1 nr 2, strony 1–10
  • 1908, Das Werden der Welten (Światy w trakcie tworzenia; ewolucja wszechświata), Wydawnictwo Akademickie, Lipsk, 208 stron.

Zobacz też

Źródła

Dalsza lektura

Linki zewnętrzne